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2016年5月第3题
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阅读以下关于嵌入式系统能耗管理设计的描述,在答题纸上回答问题1至问题3。

随着嵌入式系统智能化技术的持续发展,系统的能耗问题已成为亟待解决的难题。某宇航公司研发的一款手持式野外辅助装备,需要较长的巡航时间,由于设计时对功耗问题考虑不周,使得产品出现了批次责任事故。公司领导决定抽调王工等5人组建专门的攻关小组,要求在三个月内完成故障归零。王工接到任务后,经反复论证 与实验,给公司提交了一份基于软件动态节能的改进方案,得到了领导及专家的好评。

分值(7分

在嵌入式系统中节能技术一般分为静态节能和动态节能两种,请用300字以内文 字分别说明什么是静态节能技术和动态节能技术,并列举三种动态节能技术。

参考答案

静态节能技术是在编译时刻对代码扫描,找出可以针对目标平台特性优化的部分进行代码重构。
动态节能技术是在设备运行时根据任务负载、功率与输入电压平方的线性关系等进行运行状态以达到节能的技术,主流的动态节能技术有动态电压调节、动态频率调节、动态电源管理、动态电压缩放、体偏压调节、自适应衬底偏置等。

凯恩解析

本题考查考生对嵌入式系统节能技术谱系的把握与分类表述能力。按照实现阶段与对运行时负载的敏感性,节能手段通常分为静态动态两大类。静态节能是在编译/链接/部署阶段完成的功耗优化,其核心思想是在不改变硬件电源/时钟配置的前提下,通过算法复杂度优化、循环变换、无效代码消除、常量折叠、函数内联、数据对齐与结构体压缩、内存/缓存亲和布局、减少总线切换次数等手段,尽量减少运算与访存,从而降低动态功耗贡献;这类优化与运行时负载关系弱,但可建立稳态的低功耗“底座”。

此外,在系统架构层面,静态方法还包括模块拆分与冷热路径隔离中断/轮询机制选择DMA替代CPU搬运等,目标是减少CPU活跃度和不必要唤醒。与之对应,动态节能强调“按需供给(on-demand)”:系统运行时依据任务到达特性、实时性(deadline/jitter)、温度、剩余电量、设备使用相位等信号,动态改变电压/频率/门控/电源域设备状态机

典型技术包括:① DVFS:利用CMOS功耗与V、f关系(P∝CV²f)在不违背实时约束的条件下降低V/f;② DPM:面向设备状态机的空闲检测与睡眠→唤醒管理,配合有效时刻策略减少“短空闲不睡、长空闲必睡”的失配与频繁抖动;③ 时钟/电源门控:对未使用外设/总线树进行门控或对电源域断电,实现深睡/部分休眠;④ 体偏压/自适应衬底偏置(ABB):改变阈值电压兼顾漏电与性能;⑤ 动态阈值电压功耗感知任务映射/迁移等。

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